CN114016386A - 一种结构或构件风振控制镂空罩装置及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于结构或构件风振控制技术领域，一种结构或构件风振控制镂空罩装置及设计方法，包括镂空罩外壳和连接键。在受控体外表面安装镂空罩，利用其镂空空隙来改变受控体周围的流场，从而改变作用在其上的风荷载。可降低升力矩及升力矩随风攻角变化曲线的斜率，从而提高静风失稳的临界风速，降低发生静风失稳的可能性。该装置还可干扰受控体尾流区域的漩涡脱落，对因周期性的尾流漩涡脱落而激起的涡激振动同样具有良好的抑制效果。该装置具有结构简单、易于安装、造价低廉、维护更换方便等优点，用于大跨桥梁箱型主梁、桥塔、吊杆、高层建筑结构、烟囱等结构或构件，对提高长细比较大的钝体截面结构或构件的静风稳定性并抑制其涡激振动具有积极意义。

Description

一种结构或构件风振控制镂空罩装置及设计方法
技术领域
本发明属于结构或构件风振控制技术领域，涉及一种结构或构件风振控制镂空罩装置，具体的应用是提高长细比较大的钝体截面结构或构件的静风稳定性，同时抑制其涡激振动。例如，本发明可用于大跨缆索承重桥梁箱形主梁的风振控制。
背景技术
长细比较大的结构或构件对风振非常敏感，例如土木工程领域常见的高耸结构和大跨桥梁结构。当风流过钝体断面形式的结构或构件时，易发生旋涡脱落，当旋涡脱落的频率与结构或构件本身的自振频率接近时，将引发其产生涡激共振，例如箱型主梁、拉索、高墩、主塔、高层建筑、大型冷却塔、烟囱等。对于长细比较大的钝体截面结构或构件，其自振频率较低，因此在较低的风速下就能引发涡激振动。虽然涡激振动不会对结构或构件产生毁灭性破坏，但这种周期性限幅振动严重影响其正常使用，降低其疲劳寿命甚至危害结构安全。例如，2020年5月的虎门大桥异常晃动事件和2021年5月的深圳赛格大厦晃动事件都造成了重大社会影响和巨大经济损失，研究结果表明两事件均与风致涡激振动有关。
气动控制措施是针对风致振动的控制措施，由于其能从根源上抑制风振，并且成本低廉，因此广泛应用于实际工程中。现有的气动措施主要是针对涡振、驰振和颤振等气动失稳现象而提出的，这些措施对静风稳定性的影响往往被忽略了，这是因为过去普遍认为气动失稳先于静风失稳而发生。但是，研究表明，随着大跨桥梁跨径的增大，静风失稳现象有可能先于气动失稳现象而发生。因此，研究既能控制涡激振动又能提高结构静风稳定性的气动措施非常必要，且对保障结构的安全服役并延长其使用寿命具有重要意义。
发明内容
本发明提出了一种分段或连续附加在结构或构件外表面的、既能抑制涡激振动又能提高静风稳定性的镂空罩装置，当风流经结构或构件时，利用其镂空空隙来改变结构或构件周围的流场特征，优化其周围的压强场分布，从而改变作用在其上的三分力(阻力、升力和升力矩)。该装置可有效降低作用在受控结构或构件上的升力矩以及升力矩系数随风攻角变化曲线的斜率，从而提高静风失稳如静风扭转发散的临界风速，降低发生静风失稳的风险。同时，本发明的镂空罩装置可改变受控结构或构件尾流区域旋涡的形成，干扰结构或构件尾流区域的漩涡脱落。一方面，受控结构或构件和镂空罩装置之间形成的间隙气流从背风侧的镂空空隙中流出，将尾流区域靠近受控结构或构件的旋涡吹走，削弱其对受控结构或构件的影响。另一方面，镂空罩装置的空隙处会形成很多小涡，使得尾流区域的旋涡成分更复杂，削弱了尾流区主涡所携带的能量，使得尾流主涡的交替脱落产生的周期性作用力不足以激起受控结构或构件的涡激振动。对因周期性的尾流漩涡脱落而激起的涡激振动，该装置同样具有良好的抑振效果。
本发明的技术方案如下：
一种结构或构件风振控制镂空罩装置，用于长细比较大的钝体截面结构或构件的风振控制，包括但不限于用于大跨桥梁箱型主梁、桥塔、吊杆、高层建筑结构、烟囱等结构或构件，该装置安装在需要风振控制的受控结构或构件1上，用连接键2将多个节段镂空板3拼接而成的镂空罩外壳固定在受控结构或构件1外表面，能有效提高结构的静风稳定性并抑制涡激振动的发生；节段镂空板3的端部预留螺栓孔4与连接键2通过螺栓连接；板上均匀分布着空隙5，空隙5不局限于条形缝隙，还能用方形孔6或圆形孔7或其他形式的孔状或缝隙状空隙；连接键2由π形部件8和T形部件9组成，T形部件9的竖直段夹在π形部件8的竖直段间；π形部件8通过翼板上螺栓孔10与节段镂空板3连接，T形部件9通过翼板上螺栓孔10与受控结构或构件1连接，通过改变肋板螺栓孔11的对齐方式来调节受控结构或构件1与节段镂空板3之间的间隙大小。
一种结构或构件风振控制镂空罩装置设计方法，步骤如下：
步骤一，根据受控结构或构件1截面外轮廓形状确定镂空罩外壳的轮廓形状，两个轮廓线相平行；
步骤二，确定镂空罩的关键设计参数：需要确定节段镂空板3与受控结构或构件1表面之间的间隙距离d、空隙5的镂空宽度bv、相邻两个空隙间的间距bs和空隙率p这四个关键参数，其中p定义为镂空罩外壳表面空隙面积与镂空罩外壳总表面积之比；在节段模型风洞测力试验和测振试验或数值模拟中，四个关键参数分别设置不同的取值，进而组合成多种工况的镂空罩，比较这些工况下受控结构或构件1安装不同参数镂空罩前后的风致振动控制效果，即比较安装前后三分力系数随风攻角的变化曲线特征和振动响应特征，确定出对受控结构或构件1静风稳定性的改善和对涡激振动的抑制效果最优的镂空罩关键参数d、bv、bs和p的取值范围。
本发明的镂空罩装置具有如下有益效果：1)可有效提高受控结构或构件静风扭转发散临界风速，降低其发生静风扭转发散的风险，提高其静风稳定性。2)可用于受控结构或构件的涡振控制。3)对常见的矩形、圆形、多边形等钝体截面均适用，因此可用于箱型主梁、拉索、高墩、主塔、高层建筑、大型冷却塔、烟囱等结构或构件的涡激振动的控制。4)具有抑振效果好、形式简单、易于安装、造价低廉、维护更换方便等优点。
附图说明
图1为本发明的镂空罩装置在桥梁箱型主梁节段上布置示意图。
图2为本发明的镂空罩装置的外壳示意图。
图3为本发明的镂空罩采用条形缝隙形式(a)、矩形孔形式(b)和圆形孔形式(c)时的示意图。
图4为本发明的镂空罩装置连接键的结构示意图。
图5为连接键的π形部件示意图。
图6为连接键的T形部件示意图。
图7为本发明的镂空罩装置安装前和安装后主梁的升力矩系数曲线随攻角变化对比图。
图8为本发明的镂空罩装置安装前和安装后主梁的扭转振动响应对比图。
具体实施方式
为更加清楚地阐述本发明的技术方案和优点，以下结合附图，选取大跨桥梁箱型主梁为例，进一步说明本发明的具体实施方式。
以某大跨悬索桥的典型截面箱型主梁为例，对本发明的风振控制镂空罩装置关键几何参数的确定与安装过程进行详细说明，并结合数值模拟和风洞实验的结果说明本发明用于静风稳定性和涡激振动控制的改善效果。如图1所示，本发明的镂空罩装置安装在箱型主梁的两侧腹板和底板外侧，与箱型主梁通过连接键连接，其中镂空罩外壳采用图3(a)所示的条形缝形式。该主梁截面长度为28m,截面宽度为3.5m，镂空罩装置的四个关键参数的取值分别为：d(分别取30、60、90、120cm)，p(分别取16.67％、25％、33.33％、50％、66.67％、83.33％)，bv(分别取15、17、20、22.5、25.5、30、40、45、60、75、90、120、150cm)，bs(分别取15、17、20、22.5、25.5、30、40、45、60、75、90、120、150cm)，其中bv和bs应根据空隙率p的取值进行组合,共76种工况。根据相似性原理对原截面进行1:60缩尺，制作节段模型，通过节段模型风洞试验，测得三分力系数随风攻角的变化曲线，以及以上三个关键设计参数对三分力系数的影响，尤其是升力矩系数(CM)随风攻角变化曲线的斜率直接影响主梁的静风扭转发散临界风速(Ucr)的大小，Ucr通过如下公式计算：
Figure BDA0003306778090000051
其中，Kθ为主梁的扭转刚度；ρ为空气密度；B为主梁顺风向宽度，C'M0为升力矩系数随风攻角变化曲线在初始状态的斜率。由此可知，当曲线斜率越小，临界风速Ucr越大，主梁的静风稳定性越好。因此，可以通过风洞测力试验研究影响镂空罩装置性能的三个关键设计参数对升力矩系数(CM)随风攻角变化曲线斜率的影响来确定三个关键设计参数的合理取值范围。
根据上述76种工况的风洞试验结果，确定出该截面的实桥中镂空罩装置外壳与主梁表面之间的间隙距离d的最优取值范围为60≤d≤90cm，空隙率p的最优取值范围为50％≤p≤83.33％；镂空宽度bv的最优取值范围为45cm≤bv≤75cm，相邻两个空隙间的间距bs的最优取值范围为15cm≤bs≤45cm。当该截面的实桥中d取90cm、bv取45cm、bs取45cm、p取50％时，在安装本发明的镂空罩装置前后，所选的钢箱梁升力矩系数曲线对比如图7所示。可以看出，安装本发明的镂空罩装置后，主梁升力矩系数以及升力矩系数随攻角变化曲线斜率的大小都得到有效降低，主梁的静风扭转发散临界风速因此得到有效提高，这有助于提高主梁的静风稳定性。根据数值模拟结果，安装本发明的镂空罩装置前后主梁的扭转振动位移响应如图8所示，可以看出，安装本发明的镂空罩装置后，主梁的扭转位移振幅明显降低，未出现明显的涡激共振现象。
综上所述，本发明的镂空罩装置是一种可以分段或连续布置在结构或构件外表面的、既能抑制涡激振动又能提高静风稳定性的镂空罩装置，具有抑振效果好、形式简单、易于安装、造价低廉、维护更换方便等优点。

Claims (4)

1.一种结构或构件风振控制镂空罩装置，其特征在于，所述的镂空罩装置安装在需要风振控制的受控结构或构件(1)上，用连接键(2)将多个节段镂空板(3)拼接而成的镂空罩外壳固定在受控结构或构件(1)外表面，节段镂空板(3)的端部预留螺栓孔(4)用于与连接键(2)通过螺栓连接；节段镂空板(3)上均匀分布着空隙(5)。
2.根据权利要求1所述的结构或构件风振控制镂空罩装置，其特征在于，所述的连接键(2)由π形部件(8)和T形部件(9)组成，T形部件(9)的竖直段夹在π形部件(8)的竖直段间；π形部件(8)通过翼板上螺栓孔(10)与节段镂空板(3)连接，T形部件(9)通过翼板上螺栓孔(10)与受控结构或构件(1)连接，通过改变肋板螺栓孔(11)的对齐方式来调节受控结构或构件(1)与节段镂空板(3)之间的间隙大小。
3.根据权利要求1或2所述的结构或构件风振控制镂空罩装置，其特征在于，所述的空隙(5)为条形，方形孔(6)、圆形孔(7)或其他孔状或缝隙状。
4.一种结构或构件风振控制镂空罩装置的设计方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一，根据受控结构或构件(1)截面外轮廓形状确定镂空罩外壳的轮廓形状，两个轮廓线相平行；
步骤二，确定镂空罩的关键设计参数：需要确定节段镂空板(3)与受控结构或构件(1)表面之间的间隙距离d、空隙(5)的镂空宽度bv、相邻两个空隙间的间距bs和空隙率p这四个关键参数，其中p定义为镂空罩外壳表面空隙面积与镂空罩外壳总表面积之比；在节段模型风洞测力试验和测振试验或数值模拟中，四个关键参数分别设置不同的取值，进而组合成多种工况的镂空罩，比较这些工况下受控结构或构件(1)安装不同参数镂空罩前后的风致振动控制效果，即比较安装前后三分力系数随风攻角的变化曲线特征和振动响应特征，确定出对受控结构或构件(1)静风稳定性的改善和对涡激振动的抑制效果最优的镂空罩关键参数d、bv、bs和p的取值范围。
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